Improvement of digital lensless holographic microscopy for the visualization of biosamples

Abstract

Digital Lensless Holographic Microscopy (DLHM) is an imaging technique that has been used to visualize micrometer-sized samples. The simplicity of the required hardware, the adaptability of digital processing, and its label-free attribute have positioned it as an attractive, portable, and cost-effective alternative for observing microscopic biological samples. Despite the simplicity of its implementation, the hardware used to record the digital holograms has limitations that directly affect the visualization of biological samples. In this master’s thesis in Engineering Physics, the identified limitations of the DLHM hardware and their impact on the visualization of micrometer-sized objects are studied. An improvement of those limitations is proposed by implementing opto-numerical methods, which are tested by visualizing biosamples. Given the importance of the Numerical Aperture (NA) for the performance of DLHM, a method for characterizing and validating the NA of propagating beam illuminations is developed. A method for expanding the field of view of the visualized samples is presented. Finally, a multiview method for correcting DLHM in-line holograms is proposed to eliminate illumination artifacts inherited from the illumination source, and also to recover the information of occluded structured samples visualized in DLHM. The results were reported on two manuscripts already published in indexed journals of international circulations and five proceedings or submitted abstracts of presentations at international conferences.

La Microscopía Holográfica Digital sin Lentes (DLHM) es una técnica de imagen que ha sido utilizada para la visualización de muestras de tamaño micrométrico. La simplicidad en el hardware requerido, la adaptabilidad en el procesamiento digital y la no necesidad de marcadores la han posicionado como una alternativa atractiva, portable y eficiente en términos de costos para la visualización de muestras biológicas micrométricas. A pesar de la simplicidad en su implementación, los componentes de hardware utilizados para capturar los hologramas digitales tienen limitaciones que afectan directamente la correcta visualización de muestras. En la presente tesis de maestría en Ingeniería Física, se estudian las limitaciones en el hardware de DLHM y su impacto para la visualización de objetos microscópicos. A su vez, se proponen mejoras a estas limitaciones por medio de la implementación de métodos opto-numéricos los cuales son validados por la visualización de muestras biológicas. Dada la importancia de la apertura numérica (NA) para el rendimiento en DLHM, se presenta un método para la caracterización y validación de la NA en haces de luz. Se propone además un método para la expansión del campo de visión de los objetos observados. Finalmente, se propone un método para corregir los hologramas en línea de DLHM con el fin de eliminar artefactos inherentes a la fuente de iluminación y también para recuperar la información de objetos con estructura visualizados en DLHM. Además de esto, adjuntos con esta tesis se encuentran dos manuscritos publicados en revistas indexadas de circulación internacional y 5 resúmenes aprobados o actas de congresos internacionales, donde los resultados de esta tesis fueron presentados. (tomado de la fuente)